第6章-集成电路运算放大器

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1、6 集成电路运算放大器引 言*1第6章 集成电路运算放大器v集成电路：v 把整个电路中的元器件，制作在一块硅基片上，构成特定功能的电子电路，这样的“硅片”，称为集成电路。v集成电路特点：体积小，性能很好。v集成电路分类：模拟集成电路和数字集成电路。Date2第6章 集成电路运算放大器v 模拟集成电路：运算放大器、宽频带放大器、功率放大器、模拟乘法器、模拟锁相环、模数和数模转换器、稳压电源、和音像设备中常用的其他模拟集成电路。v此类集成电路中，集成运算放大器(集成运放)应用最为广泛。Date3第6章 集成电路运算放大器v本章主要内容：集成运放的基本单元电路及其分析方法(掌握)，典型集成运放及性能

2、指标(了解)，几种专用型集成运放(了解)。Date4第6章 集成电路运算放大器序v1. 模拟集成电路：v 一般是由一块厚度为0.20.25mm的P型硅片上，制作成具有一定功能的电路，这样的P型硅片，就称为集成电路。它可分为：Date5第6章 集成电路运算放大器v小规模集成电路：十几十个元件；v中规模集成电路：几十个几百个元件元件；v大规模集成电路：几百个几千个元件；v超大规模集成电路：几千个以上元件；v美国预计，到2010年集成度将达到10亿个。Date6第6章 集成电路运算放大器v2. 模拟集成电路的特点：v(1). 电路结构与元件参数具有对称性；v(2). 用有源器件代替无源器件；v如：电

3、阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值一般为几十欧20k,高阻值电阻多用BJT或FET等有源器件组成的恒流源来代替。Date7第6章 集成电路运算放大器v(3). 采用复合结构的电路；v多采用复合管、共射共基、共集共基等组合电路。v(4). 级间采用直接耦合方式；v电路中的电容不大，约在几十pF，常用PNJ的结电容构成，误差也较大。电感制造更困难，级间都采用直接耦合。Date8第6章 集成电路运算放大器v(5). 二极管大都采用BJT的发射结构成。v集成运放的基本单元电路：电流源和差分放大电路。Date9第6章 集成电路运算放大器6.1 电流源电路v1. 镜像电流源电路如图6.1.1所示。设电路完全

4、对称，即T1、T2的参数完全相同(12，ICEO1ICEO2，VBE1VBE2， IE1 IE2 ，IC1IC2)，图中IREF为基准电流。当BJT的值较大时， IB可以忽略，有：转12Date10第6章 集成电路运算放大器Date11第6章 集成电路运算放大器由(6.1.1)式可以看出，当R确定以后，IREF也就确定，IC2随之确定， 可把IC2看作是I REF的镜像，所以称图6.1.1为镜像电流源。Date12第6章 集成电路运算放大器v由于T1管对T2管有温补作用，IC2的稳定性也较好。但由于受电源的影响较大，故要求电源十分稳定。v当不够大时， IC2 与IREF就存在一定的误差，可采用

5、图6.1.2所示电路。Date13第6章 集成电路运算放大器Date14第6章 集成电路运算放大器v该电路利用T3的电流放大作用，减小IB对IREF的分流作用，从而提高了IC2与IREF 互成镜像的精度。为了避免T3 的电流过小而使3下降， T3 的射极常加一电阻Re3，使IE3增大。Date15第6章 集成电路运算放大器v适用范围：该电流源适用于工作电流较大的场合 (mA级)。v工作电流较小时(A级)的电流源，应采用微电流源。v2. 微电流源v如图6.1.3所示。Date16第6章 集成电路运算放大器Date17第6章 集成电路运算放大器与图6.1.1相比，在T2的发射极回路串接了一个发射极

6、电阻Re2,当基准电流IREF确定以后，IC2可确定如下：VBE1VBE2VBEIE2Re2所以，IC2IE2 VBERe2 (6.1.2)Date18第6章 集成电路运算放大器v由式(6.1.2)可知，利用两管基射极电压差VBE可以控制输出电流IC2 。由于VBE 的数值小，用阻值不大的电阻Re2，即可获得微小的工作电流，故称之为微电流源。vRe2 一般为数k， IC2 约为A级。Date19第6章 集成电路运算放大器v 例6.1.1多路电流源如图6.1.4所示。已知各BJT的参数、VBE数值相同，求各电流源IC1、IC2、IC3与基准电流IREF的关系。v 解：v 由 IREF ICIB0

7、IC IB0 转22Date20第6章 集成电路运算放大器Date21第6章 集成电路运算放大器得 IC IREF IB0v当较大时，IC IREFv由于BJT的参数、VBE数值相同，则：vIERe IREFRe IE1Re1 IE2Re2 IE3Re3(6.1.3)Date22第6章 集成电路运算放大器所以当IREF确定以后，改变各电流源的射极电阻，可获得不同的输出电流。Date23第6章 集成电路运算放大器v3. 有源负载v如图6.1.5所示。vT1为放大管，T2、T3组成镜像恒流源，作为T1管的交流负载。由于晶体管c、e间的交流电阻很大，以提高T1管的放大倍数。 转26Date24第6章

8、 集成电路运算放大器Date25第6章 集成电路运算放大器6.2 差分放大电路v差分放大电路功能：放大两个输入信号之差。v差分放大电路是集成运放的主要组成单元。如图(6.2.1所示)Date26第6章 集成电路运算放大器在电路完全对称的理想情况下，输出信号电压可表示为：voAVD(vi1vi2) (6.2.1)Date27第6章 集成电路运算放大器v式中AVD是差分放大电路的差模电压放大倍数。由式中可以看出， vi1、vi2中所共有的任何信号对输出电压都不会产生影响，但在一般情况下，实际的输出 电压不仅与两个信号的差(差模信号)有关，而且与两个信号中的共有信号(共模信号)有关。Date28第6

9、章 集成电路运算放大器v1. 差模信号v差模信号：大小相等，极性相反的一对信号，称之为差模信号。可用下式表示：vidvi1vi2 (6.2.2)v或 Date29第6章 集成电路运算放大器v2. 共模信号v共模信号：大小相等，极性相同的一对信号，称之为共模信号。可用下式表示：(6.2.3)或vic1vic2 vicDate30第6章 集成电路运算放大器v3. 两输入信号的表达式v4. 输出电压的表达式voAVDvidAVCvic (6.2.6)Date31第6章 集成电路运算放大器v式中AVDvodvid为差模电压放大倍数(差模电压增益);vAVC vocvic 为共模电压放大倍数(共模电压增

10、益)。Date32第6章 集成电路运算放大器v由(6.2.6)式可知，如果有两种情况的输入信号：v一种：vi1+50V，vi250V；v另一：vi11050V，vi2950V；v尽管这两种情况下的差模信号vid100V是相同的，但其共模信号却不一致，前者vic0，后者vic1000V。因而差分放大电路的输出电压是不相同的。Date33第6章 集成电路运算放大器6.2.1 基本差分放大电路v如图6.2.2所示，是一个基本差分放大电路。v1. 电路组成v它由两个特性相同的BJT T1、T2组成对称电路，电路参数也完全对称，即Rc1Rc2Rc等。电路中有两个电源+VCC和 VCC(一般情况下，两电源

11、的大小相等)。 转36Date34第6章 集成电路运算放大器转41 Date35第6章 集成电路运算放大器v2. 工作原理v(1) 静态分析当无输入信号，即vi1vi20时，由于电路完全对称，Rc1Rc2Rc，VBE1 VBE20.7V，Date36第6章 集成电路运算放大器v这时， iC1 iC2 ICI 0 / 2，IC1Rc1 IC2Rc2 ICRc ，VC1VC2 VCC ICRc，vovC1vC20。由此可知，vidvi1vi20时，输出信号电压vo也等于零。Date37第6章 集成电路运算放大器v(2) 动态分析v当在电路的输入端输入一对大小相等，极性相反的(差模)信号时，两管的电

12、流：一管增加，另一管减小，vovC1 vC20，这一对信号就是前述的差模信号。这种输入方式称之为差模输入。差分放大电路对差模信号具有放大能力。Date38第6章 集成电路运算放大器v2. 抑制零点漂移的原理v零点漂移(零漂)：当差分放大电路输入信号等于零时，输出电压偏离原来的初始值(参考电压)而上下漂动的现象。v如温度的变化而引起某放大电路输入级Q点变化，经后级放大而出现当输入电压为零时输出电压不为零的现象，这就是零点漂移。Date39第6章 集成电路运算放大器v在差分放大电路中,无论是温度的变化还是电源电压的波动，都会引起两管集电极电流以及相应的集电极电压的变化，其效果相当于在两输入端加入了

13、共模信号，由于电路是对称，共模输出电压voc0，从而抑制了零点漂移。v实际情况，两管完全对称是不可能的，但抑制零漂的能力还是优于其他电路的。Date40第6章 集成电路运算放大器v3. 主要性能指标的计算v(1) 差模电压放大倍数(增益)va. 双入双出时的差模电压放大倍数v在图6.2.2中，若输入为差模输入，即vi1 vi2 vid / 2，由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，在电路完全对称的情况下， iC1的增加量等于另一管iC2的减小量，所以流 过恒流源的电流I0不变，ve0，故图6.2.2的交流通路如图6.2.3所示。Date41第6章 集成电路运算放大器Date42第6章 集成电

14、路运算放大器当双端输出时，其差模电压放大倍数为：当c1、c2两点接入负载电阻 RL时，Date43第6章 集成电路运算放大器v其中，RLRcRL/2。这是由于一管的电流增加时，另一管的电流减小，而c1、c2两点的电位向相反方向变化，即一边增量为正时，另一边增量为负，且大小相等，由此可见，负载电阻的中点是交流地电位，所以在差分放大电路的半边等效电路中，负 载电阻是 RL/2。Date44第6章 集成电路运算放大器v综上所述：在电路完全对称，双入双出的情况下，图6.2.2的电压放大倍数(增益)与半边电路的电压放大倍数(增益)相等。可见，该电路是以成倍的元器件来换取抑制零漂的能力的。Date45第6

15、章 集成电路运算放大器b. 双入单出时的差模电压放大倍数v如果从某一个管的集电极输出电压(vo1或vo2 )，则称之为单端输出(如图6.2.3)所示。v此时，电路的电压放大倍数(增益)只有双出时的一半，(当RL )时，即转48 Date46第6章 集成电路运算放大器Date47第6章 集成电路运算放大器v当RL )时其中，RL RcRL 。Date48第6章 集成电路运算放大器c. 单入时的差模电压放大倍数(如图6.2.4所示。)v图中ro为恒流源的交流电阻，其阻值一般很大，容易满足rorbe的条件，这样可以认为ro对交流信号相当于开路，输入信号vid近似地平分在两管的输入回路上。 转51Da

16、te49第6章 集成电路运算放大器Date50第6章 集成电路运算放大器v图6.2.4与图6.2.3相比可知：两电路中作用于be结上的信号分量基本上是一致的。即单端输入时电路的工作状态与双端输入时近似一致。v如ro足够大，则电路由双端输出时，其差模电压放大倍数(增益)与式(6.2.7)近似一致；而由单端输出时与式(6.2.9)近似一致；其他指标也基本一致。Date51第6章 集成电路运算放大器v(2) 共模电压放大倍数(增益)va. 双出时的共模电压放大倍数，如图6.2.5所示。v当vi1vi2vic时，由于vocvo1vo20，所以转54Date52第6章 集成电路运算放大器Date53第6章 集成电路运算放大器v实际上，电路完全对称是不容易的，即使这样